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Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID)
Edition 2012


MARINER


MAîtrise du Risque INcendie et lutte anti-feu dans des grands Ensembles polydisperses multi-locaux sur Réseau

MAîtrise du Risque INcendie et lutte anti-feu dans des grands Ensembles polydisperses multi-locaux sur Réseau
La simulation de la propagation d'un feu, intégrant la lutte par aspersion d'eau, dans des ensembles poly-disperses amorphes comportant un très grand nombre de locaux, ne peut être traitée par les approches conventionnelles. Pour palier ce problème, on développe un modèle de réseau reposant, à l'échelle macroscopique, sur l'évaluation expérimentale et numérique des délais de transmission du feu entre deux locaux par les différents modes de transfert thermique.

Modéliser et simuler en temps réel la propagation d’un feu et l’action des moyens de lutte dans des ensembles poly-disperses amorphes comportant un très grand nombre de locaux
Une thématique qui intéresse autant le monde de la défense que le monde civil est celle de l’incendie et de la lutte par aspersion d’eau en espaces confinés. Des progrès considérables ont été accomplis dans ce domaine à partir d’approches réglementaires ou analytiques. Néanmoins, ces approches conventionnelles ont montré leur limite lorsque le feu se propage dans des ensembles poly-disperses amorphes comportant un très grand nombre de locaux (bâtiments de la Marine Marchande ou de la Marine Nationale, immeubles de grande hauteur, ensembles résidentiels collectifs ou ensembles de bureaux, entrepôts, etc.) et ce, pour différentes raisons : pertinence des modèles utilisés, incapacité à décrire les effets de tel ou tel facteur sur le comportement du feu ou en raison des temps de calcul prohibitifs. L’objectif du présent projet est de modéliser et simuler en temps réel la propagation d’un feu et l’action des moyens de lutte dans de telles infrastructures. Nous proposons pour cela une approche nouvelle reposant sur un modèle de réseau capable de prendre en compte les connexions à courte et longue distances, c’est-à-dire entre locaux voisins ou distants. Une version dynamique du modèle sera élaborée à partir d’une procédure de pondération des sites du réseau, basée sur l’utilisation des temps caractéristiques des échanges thermiques inter-locaux. Ces paramètres seront déterminés d’une part, à partir d’expérimentations spécifiques sur divers éléments de parois exposés à des flux radiatifs incidents représentatifs d’un incendie et, d’autre part, à l’aide d’un modèle déterministe diphasique décrivant, à l’échelle du local, le comportement du feu et son interaction avec un brouillard d’eau. Le recours à des expérimentations dans un caisson de feu à double compartiment de 54m3, est envisagé pour la validation des modèles, mais aussi pour recueillir des informations de base concernant les niveaux de sollicitations thermiques auxquelles la structure peut être soumise.

Détermination expérimentale et numérique des temps de transmission du feu entre deux locaux et modélisation sur réseau de la propagation du feu dans une structure massivement multi-compartimentée
Ce projet comporte trois volets. Le premier consiste à évaluer les temps caractéristiques de transmission du feu entre deux locaux par les différents modes de transmission : à travers les parois, par les fumées au travers des ouvertures et des gaines de ventilation et par les chemins de câbles, avec prise en compte de l’aspersion d’eau en surface et/ou volume. L’approche est à la fois expérimentale et numérique. La modélisation du feu à l’échelle macroscopique (celle du local), et son interaction avec le système d’aspersion, repose en grande partie sur les modèles de zones (ŒIL) et de champ (SAFIR, BERGAMOTE) développés par les partenaires. L’expérimentation en laboratoire est destinée à caractériser le comportement au feu d’éléments de paroi, recouverts ou non d’un film d’eau, soumis à des flux incidents représentatifs d’incendie (cône calorimètre, bancs d’essais) et à valider le code de calcul REPARE. Les partenaires mettent leur expérience et leurs moyens métrologiques en commun pour évaluer le transfert de chaleur pariétal et les propriétés du film liquide (épaisseur, atténuation radiative). Les essais en caisson de feu de 54m3, spécifiquement réalisé pour l’étude, permettront ensuite d’étudier l’influence de la charge de combustible, des conditions de ventilation et d’aspersion d’eau sur les temps de transmission. Le second volet concerne le développement du modèle de réseau de propagation du feu dans un ensemble poly-disperse multi-locaux qui utilise comme données d’entrée les délais de transmission acquis précédemment et fournit, en sortie, la dynamique du feu. Enfin, le dernier volet est dédié à la validation du concept sur la partie sous-marine de l’USS SHADWELL (11 locaux), et sur une maquette virtuelle massivement multi-compartimentée. Des études statistiques et de sensibilité (plans factoriels, polynômes du chaos) illustreront la potentialité du modèle hybride : analyse de risque, hiérarchisation des paramètres du modèle, etc.

Résultats

à mi-parcours:
• Derniers développements et validation du code SAFIR (développé conjointement par IUSTI et DGA Tn) adapté aux spécificités de l’étude (structure multi-compartimentée, combustion sous-oxygénée, système d’aspersion poly-disperse en volume) ;
• Développement et validation d’un modèle de pyrolyse pour caractériser la source combustible ;
• Développement et validation du logiciel PROPAGAZ permettant de simuler la propagation du feu par les gaines de ventilation ;
• Mesure instantanée de l’épaisseur d’un film ruisselant sur une plaque verticale.
• Evaluation de l’atténuation du rayonnement dans l’infrarouge par spectroscopie à transformée de Fourier (dispositif original et première sur le plan métrologique) ;
• Détermination expérimentale des débits critiques assèchement d’un film d’eau ruisselant sur une paroi exposée à un flux représentatif d’un incendie et validation du code REPARE;
• Réalisation d’un caisson de 54m3 dédié à l’étude des feux en configuration navire ;
• Première application du modèle de propagation au patrouilleur P400.

Perspectives

L'outil développé à l'issue de ce projet pourra servir de base à un outil d'aide à la décision permettant aux concepteurs et gestionnaires d'accroître la sécurité des personnes, de réduire la vulnérabilité des grands ensembles face à l'incendie, de dimensionner les moyens de lutte et de développer de meilleures stratégies pour réduire les conséquences d'un incendie.

Productions scientifiques et brevets

P. Boulet, J. Gérardin, Z. Acem, G. Parent, A. Collin, Y. Pizzo, B. Porterie. Optical and radiative properties of clear PMMA samples exposed to a radiant heat flux. Int. J. thermal Sci. 82(1) (2014) 1-8.
Y. Pizzo, C. Lallemand, A. Kacem, A. Kaiss, J. Gerardin, Z. Acem, P. Boulet, B. Porterie, Steady and transient pyrolysis of thick clear PMMA slabs. Combust. Flame, in press.
Y. Baara, N. Zekri, L. Zekri, Y. Pizzo, A. Kaiss, J. P. Clerc, B. Porterie and C. Lallemand, Modeling percolation in polydisperse systems, EPL, 102 (2013) 46003.
D. Brissinger – G. Parent – P. Boulet. Experimental and theoretical study on radiation attenuation by a water film. J. Quant. Spec. Rad. Trans.145 (2014) 160-168.
A. Collin, R. Berfroi, Z. Acem, G. Parent, P. Boulet, Y. Billaud, Y. Pizzo, A. Kaiss, B. Porterie. Identification of temperature and species within real flames using IR spectrometry data, Conf. INTERFLAM, London, juin 2013.
G. Parent, R. Morlon, P. Boulet. Visibility through a mixing of water mist and smoke, 11th International Symposium on Fire Safety Science, Univ. of Canterbury, New Zealand , Fév. 2014.
B. Kadoch, A. Kaiss, Y. Pizzo, C. Lallemand, S. Suard, B. Porterie, Etude du comportement d’un feu dans une structure multi-compartimentée et ventilée mécaniquement, JITH 2013, Marrakech.
Y. Pizzo, C. Lallemand, N. Giraud, A. Kaiss, B. Kadoch, B. Porterie, Etude du comportement thermique d’une paroi soumise à un incendie et de sa protection thermique par film d’eau, JITH 2013, Marrakech.
S. Suard, A. Kacem, H. Martin, B. Porterie, Simulations prédictives d’un feu d’hydrocarbure - Etude de l’influence de la viciation de l’air, CFM 2013, Bordeaux.
D. Brissinger et al., Protection d’une paroi par film ruisselant – Évaluation couplée de l’épaisseur de film et de l’atténuation des flux rayonnés, GDR Feux, Niort, Janvier 2014.
Y. Pizzo et al., Etude expérimentale et numérique de la dégradation thermique d’un composite naval, GDR Feux, Niort, Janvier 2014.

Partenaires

CNRS DR12_IUSTI Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse_Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels

DGA Direction Générale de l'Armement

LEMTA Laboratoire Laboratoire d'Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée

Aide de l'ANR 281 900 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 36 mois

Résumé de soumission

Une thématique qui intéresse autant le monde de la défense que le monde civil est celle de la modélisation et de la simulation des incendies et de lutte anti-feu en espaces confinés. Des progrès considérables ont été accomplis dans ce domaine à partir d’approches réglementaires ou analytiques. Néanmoins ces approches conventionnelles ont montré leur limite lorsque le feu se propage dans des ensembles polydisperses amorphes comportant un très grand nombre de locaux (bâtiments de la Marine Marchande ou de la Marine Nationale, immeubles de grande hauteur, ensembles résidentiels collectifs ou ensembles de bureaux, entrepôts, etc.) et ce, pour différentes raisons : pertinence des modèles utilisés, incapacité à décrire les effets de tel ou tel facteur sur le comportement du feu ou en raison des temps de calcul prohibitifs.

L’objectif du présent projet est de modéliser et simuler, en un temps inférieur au temps réel, la propagation d’un feu et l’action des moyens de lutte dans de telles infrastructures. Nous proposons pour cela une approche nouvelle reposant sur un modèle hybride inspiré du modèle stochastique de « petit monde » capable de prendre en compte les connexions à courte et longue distances entre locaux voisins ou distants. Une version dynamique du modèle sera élaborée à partir d’une procédure de pondération des sites du réseau, basée sur l’utilisation des temps caractéristiques des échanges thermiques inter-locaux. Ces paramètres seront déterminés d’une part, à partir d’expérimentations spécifiques sur des éléments de parois exposées à des flux radiatifs incidents représentatifs d’un incendie et, d’autre part, à l’aide d’un modèle déterministe diphasique décrivant, à l’échelle du local, le comportement du feu et son interaction avec un brouillard d’eau. Le recours à d’autres expérimentations, en caisson à feu, sera nécessaire pour la validation du modèle diphasique, mais aussi pour recueillir des informations de base concernant les niveaux de sollicitations thermiques auxquelles la structure peut être soumise.

Le concept sera validé sur une maquette réelle à l’échelle de quelques locaux, en l'occurence la partie sous-marine de l’USS SHADWELL, pour laquelle on dispose de résultats d’essais de propagation d’incendie, pour certains avec brumisation du local en feu, et sur une maquette virtuelle comprenant un grand nombre de locaux disposés sur un réseau amorphe polydisperse. Une analyse de sensibilité permettra d’identifier et hiérarchiser les paramètres influents du modèle de propagation, mais aussi d'étudier la réponse du système aux variations de ces paramètres. Une étude statistique sera également conduite afin de montrer la potentialité du modèle à établir une cartographie du risque incendie à l’échelle d’un grand ensemble et à évaluer les propriétés du réseau (i.e. seuil de percolation, localisation des super-nœuds du réseau, chemins critiques de propagation). La détermination de ces propriétés pourra alors aider à la définition de la stratégie à mettre en œuvre pour réduire les conséquences d’un incendie.

Ce projet est une étape préliminaire dans l’élaboration d’un système intégré d’aide à la décision avant la phase de crise (dans la conception de nouvelles architectures, voire d’aide à la définition de nouvelles stratégies de lutte et normes incendie) et pendant la phase de crise (dans la mise en sécurité des personnes et la lutte).

 

Programme ANR : Accompagnement spécifique des travaux de recherches et d’innovation Défense (ASTRID) 2012

Référence projet : ANR-12-ASTR-0002

Coordinateur du projet :
Monsieur Bernard Porterie (Centre National de la Recherche Scientifique Délégation Provence et Corse_Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels)
bernard.porterie@nullpolytech.univ-mrs.fr

 

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